化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理

化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一、研究對象：工業(yè)反應(yīng)器二、研究內(nèi)容（1）化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)；

（2）傳遞過程對反應(yīng)速率的影響；

宏觀動力學(xué)

（3）反應(yīng)器放大8.1化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)概述研究內(nèi)容（1）反應(yīng)動力學(xué)；（2）反應(yīng)器設(shè)計與分析第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三注意：

（1）

工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)較之實驗室規(guī)模要復(fù)雜得多，在實驗室規(guī)模上影響不大的質(zhì)量和熱量傳遞因素，在工業(yè)規(guī)?？赡芷鹬鲗?dǎo)作用。在工業(yè)反應(yīng)器中既有化學(xué)反應(yīng)過程，又有物理過程。物理過程與化學(xué)過程相互影響，相互滲透，有可能導(dǎo)致工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)結(jié)果與實驗室規(guī)模大相徑庭。（2）工業(yè)反應(yīng)器中對反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過程是：由物料的不均勻混合和停留時間不同引起的傳質(zhì)過程；第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三由化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)產(chǎn)生的傳熱過程；多相催化反應(yīng)中在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散與傳熱過程。這些物理過程與化學(xué)反應(yīng)過程同時發(fā)生。反應(yīng)過程與物理過程關(guān)系：

從本質(zhì)上說，物理過程不會改變化學(xué)反應(yīng)過程的動力學(xué)規(guī)律，即反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律不因為物理過程的存在而發(fā)生變化。但是流體流動、傳質(zhì)、傳熱過程會影響實際反應(yīng)場所的溫度和參與反應(yīng)的各組分濃度在空間上的分布，最終影響到反應(yīng)的結(jié)果。第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三5三、化學(xué)反應(yīng)分類一、按反應(yīng)系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類1．均相反應(yīng)：氣相均相反應(yīng)和液相均相反應(yīng)。2．非均相反應(yīng)：氣—固相，氣—液相，氣—

液—固相反應(yīng)等。二、按有無催化劑1．催化反應(yīng)2．非催化反應(yīng)第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三6四、化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法是數(shù)學(xué)模型法。數(shù)學(xué)模型法是對復(fù)雜的難以用數(shù)學(xué)全面描述的客觀實體，人為地做某些假定，設(shè)想出一個簡化模型，并通過對簡化模型的數(shù)學(xué)求解，達(dá)到利用簡單數(shù)學(xué)方程描述復(fù)雜物理過程的目的。五、數(shù)學(xué)模型法1．建立簡化物理模型第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三73．建立數(shù)學(xué)模型依照物理模型和相關(guān)的已知原理，寫出描述物理模型的數(shù)學(xué)方程及其初始和邊界條件。4．用模型方程的解討論客體的特性規(guī)律2.對復(fù)雜客觀實體，在深入了解基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理簡化，設(shè)想一個物理過程(模型)代替實際過程。簡化必須合理，即簡化模型必須反映客觀實體，便于數(shù)學(xué)描述和適用。第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三8利用數(shù)學(xué)模型解決化學(xué)反應(yīng)工程問題1．小試研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律；2．大型冷模實驗研究傳遞過程規(guī)律；3．利用計算機(jī)或其它手段綜合反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律，預(yù)測大型反應(yīng)器性能，尋找優(yōu)化條件；4．熱模實驗檢驗數(shù)學(xué)模型的等效性。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三93．半連續(xù)操作：反應(yīng)器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些則是連續(xù)流動通過反應(yīng)器。1．間歇操作：一批物料投入反應(yīng)器后，經(jīng)過一定時間的反應(yīng)再取出的操作方法。2．連續(xù)操作：反應(yīng)物料連續(xù)地通過反應(yīng)器的操作方式。按操作方式分類8.2工業(yè)反應(yīng)器8.2.1工業(yè)反應(yīng)器類型第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三101．管式反應(yīng)器：一般長徑比大于302．槽式反應(yīng)器：一般高徑比為1—33．塔式反應(yīng)器：一般高徑比在3—30之間按反應(yīng)器型式按傳熱條件1．等溫反應(yīng)器整個反應(yīng)器維持恒溫。2．絕熱反應(yīng)器反應(yīng)器與外界沒有熱量交換，全部反應(yīng)熱效應(yīng)使物料升溫或降溫。3．非等溫、非絕熱反應(yīng)器與外界有熱量交換，但不等溫。第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三11按原理分1．固定床反應(yīng)器2．流化床反應(yīng)器3．移動床反應(yīng)器4.滴流床反應(yīng)器第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三12重油的催化裂化流化床反應(yīng)器第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三13攪拌釜式反應(yīng)器第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三14鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應(yīng)器第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三15乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三16輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三8.3化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)一、化學(xué)反應(yīng)式反應(yīng)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過程用定量關(guān)系式予以描述時,該定量關(guān)系式稱為化學(xué)反應(yīng)式二、反應(yīng)程度（反應(yīng)進(jìn)度）8.3.1反應(yīng)相關(guān)的基本概念第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三nI：體系中參與反應(yīng)的任意組分I的摩爾數(shù)；αI：其計量系數(shù)；nI0：起始時刻組分I的摩爾數(shù)。討論：1.ξ恒為正值，具有廣度性質(zhì)，因次為[mol]。2.反應(yīng)進(jìn)行到某時刻，體系中各組分的摩爾數(shù)與反應(yīng)程度的關(guān)系為：第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三三、轉(zhuǎn)化率普遍使用著眼組分A的轉(zhuǎn)化率來描述一個化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。組分A的選取原則：A必須是反應(yīng)物，它在原料中的量按照化學(xué)計量方程計算應(yīng)當(dāng)可以完全反應(yīng)掉（與化學(xué)平衡無關(guān)），即轉(zhuǎn)化率的最大值應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到100%，如果體系中有多于一個組份滿足上述要求，通常選取重點關(guān)注的、經(jīng)濟(jì)價值相對高的組分定義轉(zhuǎn)化率。第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三四、收率五、選擇性收率：生成目的產(chǎn)物消耗關(guān)鍵組分的量除以關(guān)鍵組分的初始量。選擇性：生成目的產(chǎn)物消耗關(guān)鍵組分的量除以已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分量。第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三22(1)反應(yīng)持續(xù)時間tr

（反應(yīng)時間）

用于間歇反應(yīng)器。指反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的反應(yīng)程度或轉(zhuǎn)化率所需時間，其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應(yīng)的輔助時間。(2)停留時間t（接觸時間）用于連續(xù)流動反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時間。8.3.2反應(yīng)相關(guān)的時間概念(3)平均停留時間t各質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)停留時間的平均值。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三23(4)空間時間τ

其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積流率V0之比值。即

注意：空間時間是一個人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個反應(yīng)器體積的流體所需要的時間。空間時間不是停留時間第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三24(5)空間速度SV

空速的一般定義為在單位時間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積內(nèi)的物料體積。即：標(biāo)準(zhǔn)空速定義為：第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三8.3.3反應(yīng)動力學(xué)一、反應(yīng)速率定義為單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)程度隨時間的變化率nA：反應(yīng)體系內(nèi)，反應(yīng)物A的摩爾數(shù)；V：反應(yīng)體積；t：時間；第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三26以反應(yīng)物B為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：以反應(yīng)產(chǎn)物C為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三27必有當(dāng)I為反應(yīng)物時，I為產(chǎn)物時，第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三28二、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)系式稱為反應(yīng)動力學(xué)方程。大量實驗表明，均相反應(yīng)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反應(yīng)壓力通?？捎煞磻?yīng)物系的組成和溫度通過狀態(tài)方程來確定，不是獨立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對反應(yīng)速率的影響。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三29對于體系中只進(jìn)行一個不可逆反應(yīng)的過程式中：cA，cB：A，B組分的濃度mol.m-3kc為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)級數(shù)的不同有不同的因次。kc是溫度的函數(shù)，在一般工業(yè)精度上，符合阿累尼烏斯關(guān)系。第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三30阿累尼烏斯關(guān)系kc0

：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無關(guān)，具有和反應(yīng)速率常數(shù)相同的因次。E：活化能，[J·mol-1]，從化學(xué)反應(yīng)工程的角度看，活化能反映了反應(yīng)速率對溫度變化的敏感程度。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三31反應(yīng)級數(shù)m，n：A，B組分的反應(yīng)級數(shù)，m+n為此反應(yīng)的總級數(shù)。如果反應(yīng)級數(shù)與反應(yīng)組份的化學(xué)計量系數(shù)相同，即m=a并且n=b，此反應(yīng)可能是基元反應(yīng)。基元反應(yīng)的總級數(shù)一般為1或2，極個別有3，沒有大于3級的基元反應(yīng)。對于非基元反應(yīng)，m，n多數(shù)為實驗測得的經(jīng)驗值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負(fù)數(shù)。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三32把化學(xué)反應(yīng)定義式和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程相結(jié)合，可以得到：直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程的積分形式。第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三33對一級不可逆反應(yīng)，恒容過程，有：由上式可以看出，對于一級不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時間與反應(yīng)物的初始濃度cA0無關(guān)。第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三34半衰期定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時間為該反應(yīng)的半衰期。除一級反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。例如二級反應(yīng)第34頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三在工業(yè)上化學(xué)反應(yīng)必然要在某種設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，這種設(shè)備就是反應(yīng)器。根據(jù)各種化學(xué)反應(yīng)的不同特性，反應(yīng)器的形式和操作方式有很大差異。從本質(zhì)上講，反應(yīng)器的形式并不會影響化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性。但是物料在不同類型的反應(yīng)器中流動情況是不同的。8.4化學(xué)反應(yīng)器中物料的流動模型第35頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三36簡單混